بقايا نجمية

في عائلة نجوم مجرة العنقاء، هناك خمسة عناقيد كروية قديمة، أما السادس فقد اعتُبر لفترة طويلة طفلاً لقيطًا. الجسم المعروف باسم Fornax 6، الواقع على بُعد 270 فرسخًا فلكيًا فقط من مركز المجرة، بدا وكأنه تكثف عشوائي لنجوم الخلفية أو مجموعة متراصة من المجرات البعيدة. تساءل علماء الفلك عما إذا كان يستحق أن يُطلق عليه اسم عنقود.

شعاع الضوء الذي يمر بالقرب من جسم ضخم ينحني حوله، مثل عداء يلتف حول زاوية الملعب. بالنسبة للنجم النيوتروني النجم النيوتروني، عادةً ما تُعتبر زاوية الانحراف هذه مماثلة لتلك الخاصة بكتلة نقطية. ولكن إذا كان النجم محاطًا بهالة غير مرئية من المادة المظلمة، يتغير المشهد: الضوء الذي يمر عبر الهالة ينحرف بشكل أضعف مما تتنبأ به الكتلة الكلية.

القزم الأبيض هو نواة نجم قديم مثل الشمس، انضغطت حتى حجم الأرض. ملعقة صغيرة من مادته تزن عدة أطنان. النجم النيوتروني هو بقايا أكثر كثافة: مدينة بحجم مانهاتن، لكن كتلتها أكبر من كتلة الشمس. يبدو الجسمان مختلفين، لكن بينهما جسر: عندما يكتسب القزم الأبيض كتلة، تتحول مادته تدريجيًا إلى مادة نيوترونية. درس الفيزيائيون هذا الجسر باستخدام نموذج موحد.

في السادس من أغسطس عام 1181، لاحظ علماء الفلك الصينيون نجماً جديداً في كوكبة ذات الكرسي. أشرق لمدة 185 يوماً، ثم خفت ببطء واختفى، تاركاً فقط سجلاً في التواريخ. اليوم في مكانه يوجد قزم أبيض ساخن (لب نجمي مضغوط بدون تفاعلات نووية)، مسخن إلى عشرات الآلاف من الدرجات. هذا هو بقايا مستعر أعظم خافت من النوع النادر Iax. كان يمكن أن يتغذى الانفجار من مادة نجم مجاور.

قبل الاندماج بثلاثة أجزاء من ألف من الثانية. الثقب الأسود العملاق الذي يدور بسرعة جنونية يسحب نحوه النجم النيوتروني — كرة بحجم مدينة ولكن بكتلة تعادل كتلة شمس ونصف. قوى المد والجزر تمطط النجم إلى خيط رفيع كالإبرة وتنثر المادة بعيدًا.

يحتاج الزوج النجمي J05+50 إلى شهرين تقريبًا لإكمال دورة واحدة حول المركز المشترك. من الأرض، يظهر كنقطة خافتة في كوكبة هرقل — على بعد 4625 فرسخًا فلكيًا منا. فوتومتري (photometry) من نجم ثنائي (binary star) يسجل فقط تذبذبًا منتظمًا في السطوع، مثل نبض قلب عملاق.

النجوم النيوترونية - بقايا المستعرات العظمى - هي من بين أكثر الأجسام كثافة في الكون. كثافتها المركزية تفوق الكثافة النووية بأضعاف، وجاذبيتها لا يضاهيها سوى الثقوب السوداء.

في مركز درب التبانة، مثل دمية داخل دمية، يختبئ ثقب أسود هائل، وحوله سرب من النجوم وغلاف غير مرئي من المادة المظلمة. هذا الغلاف، أو "السنبلة"، يجب أن يكون كثيفًا جدًا عند الأفق نفسه. لكن النجوم والثقوب السوداء الصغيرة التي تدور قربه قد تعمل مثل ملعقة في فنجان قهوة: تقلب الجسيمات وتبعثرها. قرر مؤلفو الدراسة الجديدة اختبار مدى فساد هذه "الملعقة" للسنبلة.

لا تفصل الحضارات في الكون المسافات فحسب، بل فجوات الزمن أيضًا. البحث عن آثارها يشبه علم الآثار: بدلًا من أنقاض القصور - سحب من الغبار الكوني. الهياكل الضخمة، سواء كانت مرايا عملاقة أو أجرام دايسون الافتراضية (أغلفة لجمع طاقة النجم)، تتدمر مع الزمن تاركة أدلّة دامغة - بصمات تقنية سلبية. هذه الآثار لا تحتاج إلى أي دعم ويمكنها البقاء لمليارات السنين، وتظهر في التركيب الشاذ أو دوران سحب الغبار.

في عائلة البقايا فائقة الكثافة للنجوم الميتة، ظلّت فجوة شاسعة زمنًا طويلًا. النجوم النيوترونية — وهي قمم دوّارة بحجم مدينة — نادرًا ما تتجاوز كتلتها كتلتين شمسيتين. أما الثقوب السوداء فتبدأ من حوالي خمس كتل شمسية. وبينهما توجد «فجوة» لم يُعثر فيها على أي جرم لعقود.

تأتي الثقوب السوداء في نوعين: صغيرة — بقايا انفجارات المستعرات العظمى، وعملاقة في نوى المجرات. ولكن أين اختفت المتوسطة، التي تبلغ مئات وآلاف المرات كتلة الشمس؟ ربما يكمن الجواب في تجمعات نجمية، حيث تتصادم الثقوب السوداء مثل كرات على طاولة البلياردو، وتنمو بالاندماج.

حفنة من الرمل تزن بقدر جبل صغير — هكذا تقريبًا تُوصف السترانجليتات، وهي كتل صغيرة من "مادة الكواركات الغريبة"، حيث تُضغط الجسيمات إلى كثافات لا يمكن تصورها. في دراسة جديدة، اختبر الفيزيائيون الفلكيون ما إذا كانت هذه الأجسام يمكن أن توجد في الطبيعة، وكيف ستبدو. اعتمدوا كنموذج أساسي على فكرة أن الكواركات محبوسة داخل "كيس" — هكذا يسمي الفيزيائيون القوى التي تمنع الكواركات من التفرق.

في البلازما الحارقة لكون وليد، حين كان الفضاء لا يزال يطن بصدى الانفجار العظيم، ربما نشأت أجسام تتحدى الجاذبية نفسها. ليست الثقوب السوداء المألوفة، بل عمالقة مشحونة كهربائياً: الأسترونات. كتلتها تعادل مليون مليار شمس، والتنافر الكهربائي يفوق الجاذبية بخمسة أضعاف.

المنارة تومض بدقة مرة كل ثانية. إذا كانت تتحرك في مدار دائري، فإن ومضاتها تصل إما أبكر قليلًا أو متأخرة قليلًا — مما يكشف عن رفيق غير مرئي. هكذا كشف علماء الفلك عن الرفيق الخفي للنجم IY Lyrae. IY Lyrae هو نجم متغير نابض في القرص السميك للمجرة. يتغير لمعانه بفترة تبلغ حوالي نصف يوم: يتمدد النجم وينكمش بإيقاع منتظم. لكن ظهرت خلل في هذا الإيقاع.

تشبه النواة الذرية قطرة ذات غلاف رقيق — جلد نيوتروني. داخل القطرة، يتوزع البروتونات والنيوترونات بالتساوي، بينما يتجمع على السطح الخارجي، مثل رغوة الحليب، طبقة يكون فيها النيوترونات أكثر بشكل ملحوظ. سماكة هذه الرغوة — أجزاء من عُشر الفيمتومتر (أي أصغر بمليون مرة من حجم الذرة نفسها) — تختلف من نواة إلى أخرى وتعتمد على مدى قوة تنافر النيوترونات فيما بينها.

في كل ثانية، تخترقنا مقذوفات غير مرئية قادمة من أعماق الكون. هذه هي الأشعة الكونية — نوى ذرية تم تسريعها إلى سرعات لا تكاد تختلف عن سرعة الضوء. طاقتها أكبر بمئات الملايين من المرات من تلك المتاحة في أقوى مسرعاتنا.

نجم يزن مئة ألف شمس يعيش حياة مشرقة وقصيرة. نهايته هي انهيار سريع إلى ثقب أسود. لكن قبل النهاية مباشرة، ينجح في أن يلف نفسه بشرنقة غازية كثيفة. هذه الشرانق بالضبط هي ما يميزه تلسكوب جيمس ويب حول الأجسام الغامضة — "النقاط الحمراء الصغيرة". أخذ علماء الفلك خمسة نماذج لنجوم فائقة الكتلة بتركيبات مختلفة وتتبعوا حياتها خطوة بخطوة.

عندما تنشطر نواة ذرية ثقيلة، لا تتطاير إلى نصفين متساويين. ينشأ أولًا جزءان يشبهان الكمثرى، متلاصقان بطرفيهما الرفيعين. ثم يبدأ مكان التلامس بالانسياب، كما لو أن قطرتين تندمجان ويصبح السطح مستويًا بسرعة. في هذه اللحظة القصيرة، يتحرك السطح نحو الداخل، وقد ترتد الجسيمات داخل النواة عنه، مثل كرة ترتد عن جدار يتحرك نحوها. هذا الارتداد يزيد من سرعتها.

كل 15 ساعة، في كوكبة تبعد عنا 57 سنة ضوئية، يحدث كسوف شمسي صغير. القزم الأبيض الصغير — نجم بحجم الأرض لكنه أثقل من الشمس — يغوص خلف قرص القزم الأحمر. بالنسبة لعلماء الفلك، هذا ليس مجرد مصادفة جميلة، بل وسيلة للنظر إلى ماضي الزوج النجمي. ذات يوم، تمدد النجم الرئيسي في هذا النظام ليصبح عملاقًا أحمر وابتلع جاره.

مركز مجرتنا يشبه مطبخًا مزدحمًا تُطهى فيه عدة أطباق في وقت واحد، ويتصاعد بخارها مختلطًا في سحابة واحدة. أشعة إكس الصادرة عن بقايا نجم منفجر، والرياح النجمية حول الثقب الأسود فائق الضخامة، والغاز الساخن بين النجوم، كلها تتراكب فوق بعضها البعض. فصل هذه الإشارات يشبه محاولة تخمين كمية الجزر والبصل في الحساء من خلال تذوقه فقط.

عندما يصطدم جسمان ثقيلان، لا يبقيان دائمًا في مكانهما. فالثقوب السوداء عند اندماجها تتلقى ركلة قوية — مثل ارتداد طلقة نارية، لكن بدل البارود يعمل انحناء الزمكان. هذه الركلة قد تقذف الثقب الجديد من مركز المجرة أو حتى إلى خارجها. حلل مؤلفو الدراسة بيانات مرصدي LIGO وVirgo لموجات الجاذبية على مدى عدة سنوات.

الكثافة في مركز النجم النيوتروني هائلة لدرجة أن ملعقة صغيرة من مادته تزن مثل وزن جبل. يحاول الفيزيائيون منذ زمن طويل فهم مقدار الكتلة التي يمكن أن يصل إليها مثل هذا النجم قبل أن ينهار إلى ثقب أسود. اعتمد الحد الكلاسيكي، الذي اشتُق في السبعينيات (1970)، على افتراض أن المادة في النواة تصبح غير قابلة للانضغاط (صلبة) فقط عند كثافات عالية جدًا.

في سحابة الغاز المتوسعة المتبقية بعد انفجار نجم — تُعرف هذه السحب ببقايا المستعرات العظمى — اكتشف علماء الفلك بنية عملاقة مضيئة على شكل حرف S. تشكلت هذه البنية بواسطة نفاثتين — تيارين ضيقين من البلازما شديدة الحرارة، قُذفا أثناء الانهيار الكارثي للنجم. لم تتحرك هذه النفاثات ببساطة من مركز الانفجار: بل كانت تسبق، أي أن محورها كان يدور ببطء، مثل محور قمة دوارة تفقد توازنها.

قطعة سكر موضوعة على صحن بجانب كوب شاي ساخن. إذا أسقطتها في الشاي، ستذوب خلال دقائق. لكن إذا أنزلتها ببطء، يذوب السكر تدريجيًا، معطيًا حلاوته للمشروب. شيء مشابه يحدث في زوجين نجميين اكتُشفا مؤخرًا، لكن بدل السكر — قزم بني، وبدل الشاي — نجم. القزم البني هو جسم لم يستطع أن يصبح نجمًا مكتملًا: لم تكن كتلته كافية لإشعال تفاعلات الاندماج النووي في نواته.

تخيّل محيطًا غير مرئي يتكوّن من المادة المظلمة — وهي جسيمات فائقة الخفة، كان فريتز زفيكي أول من اشتبه في وجودها منذ ثلاثينيات القرن العشرين. في هذا المحيط يغوص نجم نيوتروني — وهو جرم كثيف بحجم مدينة، لكنه يمتلك كثافة هائلة: فملعقة صغيرة من مادته تزن مليارات الأطنان.

النيوترون هو الجسيم الذي تتكون منه النجوم النيوترونية بشكل أساسي. وهو غير مستقر بذاته: يعيش النيوترون الحر حوالي خمس عشرة دقيقة، ثم يتحلل إلى بروتون وإلكترون ومضاد نيوترينو. لكن في نوعين مختلفين من التجارب، يختلف زمن الحياة: في حزمة الجسيمات، يعيش النيوترونات أطول قليلاً مما في المصيدة. هذا الاختلاف يقلق الفيزيائيين منذ سنوات عديدة.

النجم القديم المشابه للشمس ينكمش في نهاية حياته ليصبح قزمًا أبيض — كرة كثيفة بحجم الأرض. بعد ذلك، يبرد ببساطة مثل جمرات النار. لكن بعض الأقزام البيضاء تظل ساخنة لمليارات السنين لسبب ما. درس علماء الفلك هذه الأجسام ضمن نطاق مئة فرسخ فلكي منا ووجدوا نمطًا غير متوقع. القزم الأبيض هو بقايا نجم استهلك كل وقوده.

في أعماق الفضاء توجد سحابة غازية تشبه عقدًا بخرزات لامعة. هذا هو سديم العقد — بقايا نجم انتفخ ذات يوم وابتلع جاره. في المركز بقيت سحابة مزدوجة: نجم صغير حار ورفيقه المنتفخ الغني بالكربون. وجّه العلماء تلسكوب هابل الفضائي نحو السديم، وفحصوا كمية الكربون في جزئه الداخلي. اتضح أن الكربون فيه قليل — وكأن أحدهم كشطه بملعقة.

الضوء القادم من مصدر بعيد، عند مروره بجوار نجمة نيوترونية، ينحني مثل شعاع مصباح يدوي في مرآة ملتوية. أجرى الفيزيائيون الفلكيون تجربة عددية: أطلقوا أشعةً بالاتجاه المعاكس من الراصد نحو النجمة، وراقبوا الصورة التي سيراها التلسكوب. داخل النجمة، المادة مضغوطة لدرجة أن سلوكها يوصف بمعادلة بسيطة — كلما زاد الضغط، زادت الصلابة في المقاومة. النجمة النيوترونية هي بقايا انفجار نجمة ضخمة.

نجمان يدوران في رقصة حميمة. أحدهما نجم نيوتروني، كرة فائقة الكثافة بحجم مدينة، لكن كتلتها تعادل كتلة الشمس ونصف. والآخر نجم عادي يتمدد ويفيض بمواده على جاره. أحيانًا يكون هذا الفيضان سريعًا جدًا، فيغلف النجمين غلاف غازي مشترك - مثل ملعقتين في قدر واحد من الحساء المغلي. النجم النيوتروني هو ما يتبقى بعد انفجار مستعر أعظم.

ومضات أشعة غاما القصيرة هي انفجارات هائلة، تطلق في أجزاء من الثانية طاقة تعادل ما تشعه شمسنا خلال مليارات السنين. تقليديًا، يُعتقد أن مصدرها ثقب أسود مع قرص تراكمي من البلازما شديدة الحرارة، يتشكل عند اندماج نجمين نيوترونيين — بقايا فائقة الكثافة لنجوم ضخمة.

النجم النيوتروني هو بقايا مضغوطة لنجم ضخم: المادة فيه مضغوطة لدرجة أن جبلًا بحجم كشتبان يمتلك كثافة هائلة. إذا تراكمت داخل هذا الجسم المادة المظلمة — تلك المادة الغامضة غير المرئية التي يُعتقد أنها تمنع المجرات من التمزق بفعل جاذبيتها — فإن هذا التراكم يصبح مميتًا في ظل ظروف معينة.

في مركز المجرة NGC 1600، التي تبعد عنا 200 مليون سنة ضوئية، لاحظ علماء الفلك تجمعًا نجميًا كثيفًا. بدا كعقدة مضيئة على خلفية توهج ضبابي، وكان ذلك غير متوقع. كان يُعتقد أن التجمعات النجمية النووية لا تنجو في مثل هذه المجرات الإهليلجية العملاقة: كان من المفترض أن اندماجات الثقوب السوداء فائقة الضخامة تقذف النجوم من المركز، تاركة فراغًا فقط.

تصادم نجمين نيوترونيين هو ضربة تُسمع في جميع أنحاء الكون. تلتقط كاشفات موجات الجاذبية تموجات الزمكان، لكن الصوت الأكثر إثارة للاهتمام يبدأ بعد الضربة: بقايا الاندماج، وهو نجم نيوتروني شديد الكتلة وسريع الدوران، يستمر في الاهتزاز، باعثًا موجات لبضع ميلي ثوانٍ إضافية. هذه الإشارة القصيرة ولكن الغنية بالمعلومات يسميها الفيزيائيون الرنين الطويل.

أربع ساعات وثماني وخمسون دقيقة. بهذا الإيقاع، وكأنه بندول، يمر شيء ما أمام القزم الأبيض ZTF J1944+4557، فيخفت ضوءه بمقدار الثلث، وأحيانًا إلى النصف تقريبًا. هذا القزم الأبيض، وهو بقايا نجمية مضغوطة بعد استنفاد الوقود، يقع في كوكبة الدجاجة، ونبضه غير مستقر: فالعبور تارة يصبح أعمق، وتارة يختفي تمامًا.